美国一家政府实验室重现了冰巨星深处使钻石融化的真正地外条件——这项技术可能让某些聚变反应堆的能量增益提高两倍。

在稀薄的上层大气之下，我们的太阳系邻居海王星和天王星的中层大气处于高压高温状态，那里确实在下“钻石雨”。那里的条件极端到研究人员只能在不到千分之几英寸（或几百微米）厚的试验空间里重现——用激光轰击试验材料，产生比太阳表面温度还高的高压冲击波。

但这差不多是十年前的事了。如今，位于北加州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员成功重现了这些冰巨星大气层更深处存在的条件，同时还记录了这种钻石雨在更高压区域更深处的行为。

“我们能够取用微小的钻石样品，通过冲击压缩使其达到比太阳表面更热的温度，以及比海王星和天王星中心更高的压力，并且仍然测量了原子结构、温度、密度和光学反射率，”该研究第一作者、LLNL物理学家马里乌斯·米约在一份声明中解释说。

除了帮助行星科学家模拟天王星和海王星极端恶劣的大气层之外，这项实验还揭示了对地球（可能）有用的东西：这些高能激光脉冲冲击波有朝一日可以用于被称为惯性约束的聚变能源系统，从而将此类装置的能量增益提高两倍。

冲击处理

自1997年国家点火装置（NIF）开始建设以来，LLNL团队就一直在研究惯性约束聚变。这项研究十分艰辛，而且经常遭到轻视和怀疑——即使其聚变实验在2022年首次成功产生的能量超过了点火激光输入的能量，情况依然如此。

而这正是米约本月发表在《自然·物理学》期刊上的发现可能有所帮助的地方。惯性约束聚变过程始于一个微小的钻石燃料舱，由类似高能激光产生的类似强大冲击波使其内爆。这种正在熔化、内爆的钻石需要保持均匀流体，以便被点燃的聚变反应保持其推进势头——米约团队已经用比以往测试更低的功率做到了这一点。

“我们的工作表明，我们可以使用稍慢的初始冲击波，仍然能在NIF内爆中实现钻石的完全熔化，”米约表示。

“这令人兴奋，因为这种较慢的冲击波会使聚变燃料更具可压缩性，”他补充说，“这反过来提高了我们在相同激光能量下能够获得的最大能量产额。”

在压力之下

最终，米约和他的同事们正在研究碳在高达太帕斯卡的极端压力范围内被压成钻石结构时的行为，也就是你此刻阅读时正在承受的普通大气压的数千万倍。所以，也许不用说也知道，这些条件绝不是宇航员或太空探测器能够直接前往天王星或海王星那些真正异星世界内部去实地测量。

研究人员指出，他们的结果为改进量子模拟提供了“原子尺度基准”，用以模拟物质在这些冰巨星极端大气条件下可能的行为。过去的计算机模型曾暗示，这些钻石是通过一个理论推测的中间步骤熔化的——而米约团队在更精确测量的实验中发现，这个中间步骤实际上似乎并不存在。

事实证明，碳原子一直牢牢锁定在钻石排列中，直到熔化开始。

“我们认为这是因为样品在只经历一次冲击时没有时间发生变化，”米约认为，“它仍然‘被困’在钻石结构中。”

这些发现此前一直让研究人员难以捉摸，因为坦率地说，当你用这么大的功率同时轰击一个微小物体时，通过X射线衍射进行精确测量变得有些困难。“这些测量极其困难，因为碳是一种又小又轻的原子，”米约说，“它散射的X射线非常少，所以我们需要测量的信号相当微弱。”

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